CN114988648B - 一种循环水生化处理动态模拟试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种循环水生化处理动态模拟试验装置及方法。通过灭杀原有微生物、挂膜培养功能菌和降低换热强度等方式实现微生物功能菌的优势生长。采用微生物基因测序方法，分析微生物功能菌代谢通路和作用机理以筛选微生物菌剂种类，分析微生物群落结构随时间变化情况以优化加药频率。本发明还包括一种试验装置，包含循环水池单元、冷却单元、管路控制单元、监测单元和模拟换热单元。

Description

一种循环水生化处理动态模拟试验装置及方法

技术领域

本发明涉及循环水处理技术领域，具体涉及一种循环水生化处理动态模拟试验装置及方法。

背景技术

循环水系统存在的主要问题有结垢、腐蚀和生物黏泥滋生等，国内外传统的处理方法是向循环水中加入阻垢剂、缓蚀剂、杀菌灭藻剂等水质稳定剂的化学法处理。目前常用的水质稳定剂有磷酸盐、锌盐、聚磷酸盐、钼酸盐、唑类，使用最多的是有机磷酸盐和锌盐。化学法具有良好的防垢、防腐和防生物黏泥效果，但由于化学法阻垢缓蚀会给环境带来二次污染，且药剂费用也对电厂的运行造成一定经济负担，故人们开始积极探索新的无危害方法。

近年来，一种利用微生物对循环水进行水质调节的生化处理方法逐渐受到人们的关注。循环水生化处理通过加入微生物菌剂，利用微生物功能菌的新陈代谢作用实现对循环水防垢、防腐、防生物黏泥和水质降污的效果。微生物功能菌防垢可通过吸附钙镁离子、碳酸酐酶CA溶垢、产酸增溶和胞外聚合物EPS络合增溶等途径实现；防腐可通过降低腐蚀电流、抑制硫酸盐还原菌SRB腐蚀、群体感应淬灭QQ抑制腐蚀和形成生物膜等途径实现；防生物黏泥可通过酶降解生物黏泥、竞争生态位、QQ抑制生物黏泥和絮凝沉降等途径实现；降污可通过功能菌的氧化分解作用和絮凝沉降作用等途径实现。生化处理法与传统的化学处理法相比具有节水减排、对环境无二次污染、运行参数控制稳定、综合运营成本较低等优点。

循环水动态模拟试验通过模拟循环水系统的水平衡和换热效果等主要参数，可以实现对循环水系统实际工况在实验室条件下最大程度的模拟。但目前的循环水动态模拟试验装置主要针对的是化学药剂效果评价，而微生物在作用机理和操作方式等方面均不同于传统的化学法。例如化学药剂的使用对温度不敏感，而当使用微生物菌剂时，换热管换热强度过大或水温过高会导致微生物死亡。此外，加入的微生物功能菌种与循环水的原有菌种会存在“竞争”作用，导致处理效果不佳。投加微生物菌剂后，游离状态的微生物还可能会随排水而流失，导致药剂投入成本增加。

因此，开发一种适用于评价生化处理循环水效果的动态模拟试验装置及方法具有显著意义。此外，目前对于生化处理防垢、防腐、防生物黏泥和降污效果的评价方法未有报道，对于微生物菌剂种类和加药频率的优化方法也未有说明。

发明内容

针对目前存在的技术问题，本发明提供一种循环水生化处理动态模拟试验装置及方法，使其适用于评价生化处理效果，同时优化菌剂种类和加药频率。

本发明的上述技术问题主要是通过下述的技术方案得以解决的：

一种循环水生化处理动态模拟试验装置，所述试验装置包括循环水池单元、冷却单元、管路控制单元、监测单元和模拟换热单元；

所述循环水池单元包含循环水池和澄清水池，冷却单元包含装有聚丙烯填料的冷却塔，所述循环水池内设有生物挂膜架为功能菌种提供生长附着点；

循环水依次经过所述冷却塔、循环水池、澄清水池、模拟换热单元、检测单元、冷却塔进行循环；所述模拟换热单元以控制循环水进、出口温差，防止因温差过大导致微生物死亡。

放置于循环水池内的生物挂膜架和液位器，与液位器相连的补水电磁阀和补水池，循环水池底部的排污电磁阀，循环水池出口处的挡泥网。

进一步地，所述循环水池单元还包括设置于循环水池内用于控制补水的液位器，与液位器相连的用于储存补充循环水的补水池，循环水池底部有用于控制排水和污泥的排污电磁阀，所述澄清水池接在循环水池后，连接处有挡泥网。

进一步地，所述冷却塔顶部设有布水器和散热风扇。

进一步地，所述模拟换热单元包含试验管及其外部套管，与所述外部套管相连的恒温油浴，以及与试验管两端相连的进口测温元件和出口测温元件，循环水经过澄清水池后流入所述试验管中。

进一步地，所述监测单元包含内有腐蚀试片和观测试片的挂片器，在连接管路上设有腐蚀速率检测元件、电导率检测元件、pH检测元件和黏泥采集器，循环水流经所述试验管后依次经过所述黏泥采集器、挂片器、腐蚀速率检测元件、电导率检测元件和pH检测元件。

进一步地，所述管路控制单元包含循环水泵，整体连接管路及管路上的转子流量计，以及控制柜，所述循环水泵设置在澄清水池和试验管之间，所述控制柜连接循环水泵、散热风扇、补水电磁阀和排污电磁阀，以及进口测温元件、出口测温元件、腐蚀速率检测元件、电导率检测元件和pH检测元件。

进一步地，所述监测单元还设有旁路球形阀，以便于随时观察试片腐蚀情况，同时清洁传感探头和检修。

本发明还提供一种循环水生化处理动态模拟试验方法，包含上述的试验装置，包括如下步骤：

步骤S1.试验装置安装：选取金属材料分别制备成腐蚀试片和观测试片，用滤纸擦去其表面的油，并分别用蘸有丙酮、无水乙醇和除盐水的脱脂棉擦洗。腐蚀试片和观测试片称重后安装于挂片器内；试验管安装于套管内，其两端伸出套管外，对套管两端密封处理并连接恒温油浴；连接循环水池单元、冷却单元、管路控制单元、监测单元和模拟换热单元；

步骤S2. 原有微生物灭杀：循环水送至循环水池，向水池中投加复合杀菌剂对循环水中的原有微生物进行杀菌处理，杀菌剂折合为余氯的含量为0.8-1.0mg/L，持续时间不低于12小时，待余氯降低至0.1mg/L开展后续试验；

步骤S3.功能菌挂膜培养：循环水池水溢流至澄清水池后开启循环水泵，关闭转子流量计球形阀，循环水回流至循环水池；在循环水池中均匀加入固定剂量的微生物菌剂，经过一定时间周期，肉眼可见填料表面被一定厚度的生物膜完全覆盖即挂膜完成；

步骤S4.动态模拟试验启动：挂膜完成后，旋动转子流量计球形阀调节至指定流量，使水充满装置管路，稳定运行后记录清洁试验管传热热阻，此后选择合适的加药频率重新补充微生物菌剂；

步骤S5.微生物功能菌特性分析：运行稳定后，收集水样并用滤膜过滤后采集滤膜上的生物样本，采集挂膜架内生物样本，对生物样本进行宏基因组测序和16S扩增子测序，根据分析微生物功能菌代谢通路和作用机理筛选微生物菌剂种类，根据微生物群落结构随时间变化情况优化加药频率；

步骤S6.污垢热阻测定：以一定时间间隔记录恒温油浴温度、循环水流量、试验管进口水温和出口水温，根据传热热阻公式计算试验管的实时传热热阻，实时传热热阻减去清洁试验管传热热阻即为污垢热阻。

步骤S6.处理效果评价：通过监测试验管污垢热阻、金属腐蚀速率及腐蚀特性、生物黏泥量和循环水水质指标参数，评价生化处理方法的防垢、防腐、防生物黏泥和降污效果。

进一步地，所述步骤S5中具体包括：

S51.微生物宏基因组测序：运行稳定后，采集挂膜架内生物样本，同时收集水样并用滤膜过滤后采集滤膜上的生物样本，生物样本经预处理、DNA提取、PCR 扩增和高通量测序后，获得的高质量序列与参考基因数据库进行对比；

S52.得到挂膜架内生物样本的微生物群落相对丰度图和优势微生物关联图，分析加入的微生物功能菌种和循环水补水中原有菌种间存在的“协同”或“竞争”作用，同时得到水样生物样本的功能基因相对丰度图，确定挂膜架内功能菌和水样中功能基因的关联图；

S53.根据推测的微生物防垢、防腐、防生物黏泥和降污作用机理，结合功能基因相对丰度图和功能菌-功能基因关联图，分析各微生物功能菌的代谢通路，验证功能菌处理循环水的作用机理，以此筛选出最适宜循环水处理的功能菌种。

S54.16S扩增子测序：基于挂膜架内生物样本的微生物群落相对丰度图，根据微生物功能菌所占比例判断是否为优势菌群，通过分析微生物功能菌比例随时间变化情况，研究微生物功能菌作为优势菌种的时间周期，以此确定最佳加药频率。

因此，与现有技术相比，本发明具有如下优点：

通过改进动态模拟试验装置，使装置适用于循环水生化法处理。通过监测污垢热阻、腐蚀速率、黏泥量和水质指标等参数，实现对生化法处理循环水防垢、防腐、防生物黏泥和降污效果的综合评价。根据微生物基因测序分析，揭示微生物功能菌代谢通路和作用机理，实现对微生物菌剂种类的筛选和加药频率的优化。

附图说明

图1为循环水生化处理动态模拟试验装置示意图。

图中：1.循环水池；2.生物挂膜架；3.液位器；4.补水电磁阀；5.补水池；6.排污电磁阀；7.冷却塔；8.散热风扇；9.挡泥网；10.澄清水池；11.循环水泵；12.转子流量计；13.进口测温元件；14.试验管；15.出口测温元件；16.恒温油浴；17.黏泥采集器；18.挂片器；19.腐蚀速率检测元件；20.电导率检测元件；21.pH检测元件；22.控制柜。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

如图1所示，一种循环水生化处理动态模拟试验装置，包括用于处理循环水的循环水池单元、用于对循环水冷却的冷却单元、用于控制循环水流动的管路控制单元、用于评价生化处理效果的监测单元、用于模拟换热系统的模拟换热单元。

循环水池单元包含循环水池1和澄清水池10，放置于循环水池1内的用于微生物附着生长的生物挂膜架2和用于控制补水的液位器3，与液位器3相连的补水电磁阀4和补水池5，以及水池底部的排污电磁阀6，循环水池1底部由溢流管连接至澄清水池10顶部，溢流管进口设有挡泥网9，溢流管出口与循环水池液位平齐，循环水可经充分接触生物挂膜架后由底部出口溢流至澄清水池。循环水池1底部有用于控制排水和污泥的排污电磁阀。挂膜架2为功能菌种提供生长附着点，减少有效菌群的流失。同时在完成微生物挂膜后，循环水可优先充分接触生物挂膜架，增加生物膜处理循环水的停留时间。澄清水池10接在循环水池1后，连接处有挡泥网9，防止挂膜架2掉落的絮体进入到后续单元，减少已形成的生物膜流失。其中，挡泥网9为25号生物网安装在循环水池底部出口处，防止挂膜架掉落的絮体进入到后续单元，装置运行一段时间后取下挡泥网将网上的粘附物回收或排出；挂膜架2由多个悬浮球形聚丙烯填料组成，填料固定于不锈钢架内；液位器用于控制补水电磁阀，连接至控制柜，当液位低于设定值时，补水电磁阀开启，由补水池引入循环水补水。排污电磁阀连接至控制柜，当水质指标超标或底部沉积污泥过多时，控制排污电磁阀开启。

冷却单元包含装有聚丙烯填料的冷却塔7，在底部与冷却塔相连的散热风扇8。冷却塔7上方连接布水器，以供循环水均匀分布流出；散热风扇8连接至控制柜，可手动启停散热风扇。

管路控制单元包含循环水泵11，整体连接管路及管路上的转子流量计12，以及用于监测数据和控制装置启停的控制柜22。控制柜22连接循环水泵11、散热风扇8、补水电磁阀4和排污电磁阀6，以及进口测温元件13、出口测温元件15、腐蚀速率检测元件19、电导率检测元件20和pH检测元件21。循环水泵进口连接至澄清水池底部，出口设置回流管路，回流管路连接至循环水池顶部。循环水泵连接至控制柜，可手动启停循环水泵。控制柜还设有循环水泵开关、散热风扇开关、补水开关和排水开关，以及温度记录表、瞬时腐蚀速率记录表、电导率记录表和pH记录表。

监测单元包含内有腐蚀试片和观测试片的挂片器18，在连接管路上设有黏泥采集器17、腐蚀速率检测元件19、电导率检测元件20和pH检测元件21。其中观测试片，用于观察金属材料腐蚀形貌及测定腐蚀产物成分；黏泥采集器17用于收集生物黏泥量以评价微生物防生物黏泥性能，黏泥采集器位于管路主路，内包含25号浮游生物网，生物网外侧的有机玻璃柱，其顶部和底部接有旋塞阀，以及旁路还设置球形阀。黏泥采集器同时起保安过滤作用，防止试验管形成的污垢颗粒进入到后续的电导率检测元件和pH检测元件内；挂片器和腐蚀速率检测元件用于监测金属材料腐蚀情况。挂片器位于管路主路，包含用于固定试片的挂片杆，外部有机玻璃管，以及腐蚀试片和观测试片。挂片器旁路还设置球形阀以便于随时观察试片腐蚀情况，挂片杆上有塑料螺栓并配有螺母，用于固定试片。腐蚀速率检测元件、电导率检测元件和pH检测元件位于管路主路，旁路还设置球形阀以便于随时清洁传感探头和检修，且检测元件连接至控制柜，可实时读取金属的瞬时腐蚀速率、循环水的电导率和pH数值。

标准腐蚀试片为Ⅲ型标准腐蚀试片，尺寸为40mm×13mm×2mm，用于测定腐蚀速率。观测试片尺寸为10mm×10mm×2mm，用于观察腐蚀形貌及腐蚀产物成分。

所述腐蚀试片和观测试片使用前需用金相砂纸由粗至细打磨，直至试片表面光亮并无明显缺陷。

所述腐蚀速率检测元件内有电阻探针，其工作原理是基于线性极化电阻法，测试金属电阻探针的极化电位与极化电流，得到线极化电阻并计算金属在该水质情况下的瞬时腐蚀速率。模拟换热单元包含试验管14及其外部套管，与套管相连的恒温油浴16，以及与换热管两端相连的进口测温元件13和出口测温元件15。本装置以一定温度的绝缘油为热源，将试验管14浸泡于绝缘油中，以控制循环水进、出口温差，防止因温差过大导致微生物死亡。试验管尺寸为DN20mm×2mm×1000mm。套管为有机玻璃管，所述有机玻璃管两端采用环氧树脂封闭，所述试验管在有机玻璃管内部且两端伸出有机玻璃管外。恒温油浴内有绝缘油，并设置温度控制系统可调节绝缘油温度，温度控制在70-80℃为宜。进口测温元件和出口测温元件连接至控制柜，可实时读取换热管两侧的水温数值。

本发明还提供一种循环水生化处理动态模拟试验方法，包含上述的试验装置，包括如下步骤：

步骤S1.试验装置安装：选取金属材料分别制备成腐蚀试片和观测试片，用滤纸擦去其表面的油，并分别用蘸有丙酮、无水乙醇和除盐水的脱脂棉擦洗。腐蚀试片和观测试片称重后安装于挂片器内；试验管安装于套管内，其两端伸出套管外，对套管两端密封处理并连接恒温油浴；连接循环水池单元、冷却单元、管路控制单元、监测单元和模拟换热单元；

步骤S2.原有微生物灭杀：循环水送至循环水池，向水池中投加复合杀菌剂对循环水中的原有微生物进行杀菌处理，杀菌剂折合为余氯的含量为0.8-1.0mg/L，持续时间不低于12小时，待余氯降低至0.1mg/L开展后续试验；

步骤S3.功能菌挂膜培养：循环水送至循环水池，循环水池水溢流至澄清水池后开启循环水泵，关闭转子流量计球形阀，循环水回流至循环水池，水充分接触挂膜架后流至澄清水池；在循环水池中均匀加入固定剂量的微生物菌剂，经过一定时间周期，肉眼可见填料表面被一定厚度的生物膜完全覆盖即挂膜完成；

步骤S4.动态模拟试验启动：挂膜完成后，旋动转子流量计球形阀调节至指定流量，使水充满装置管路，稳定运行后记录清洁试验管传热热阻，此后选择合适的加药频率重新补充微生物菌剂；具体地，循环水送至循环水池，循环水池水溢流至澄清水池后开启循环水泵，使循环水充满管路，旋动转子流量计调节至指定流量，记录试验开始时间。开启恒温油浴，待恒温油浴达到指定温度时记录此时清洁试验管传热热阻。稳定运行后选择合适的加药频率重新补充微生物菌剂。

步骤S5.微生物功能菌特性分析：运行稳定后，收集水样并用滤膜过滤后采集滤膜上的生物样本，采集挂膜架内生物样本，对生物样本进行宏基因组测序和16S扩增子测序，根据分析微生物功能菌代谢通路和作用机理筛选微生物菌剂种类，根据微生物群落结构随时间变化情况优化加药频率；

步骤S5中具体包括，微生物宏基因组测序：运行稳定后，采集挂膜架内生物样本，同时收集水样并用滤膜过滤后采集滤膜上的生物样本。生物样本经预处理、DNA提取、PCR扩增和高通量测序等步骤后，获得的高质量序列与参考基因数据库进行对比。得到挂膜架内生物样本的微生物群落相对丰度图和优势微生物关联图，分析加入的微生物功能菌种和循环水补水中原有菌种间可能存在的“协同”或“竞争”作用。得到水样生物样本的功能基因相对丰度图，并确定挂膜架内功能菌和水样中功能基因的关联图。同时根据推测的微生物防垢、防腐、防生物黏泥和降污作用机理，结合功能基因相对丰度图和功能菌-功能基因关联图，分析各微生物功能菌的代谢通路，验证功能菌处理循环水的作用机理。分析何种功能菌起决定作用，以此筛选出最适宜循环水处理的功能菌种。

16S扩增子测序：运行稳定后，采集不同时间挂膜架内生物样本。生物样本经预处理、DNA提取、PCR 扩增和高通量测序等步骤后，获得的高质量序列与数据库信息对比得到微生物群落相对丰度图。当微生物功能菌所占比例超过30 %则认为其为优势菌群，低于30%时则需补充微生物菌剂以维持优势地位。通过分析微生物功能菌比例随时间变化情况，研究微生物功能菌作为优势菌种的时间周期，以此确定最佳加药频率。

步骤S6.污垢热阻测定：以一定时间间隔记录恒温油浴温度、循环水流量、试验管进口水温和出口水温，根据传热热阻公式计算试验管的实时传热热阻，实时传热热阻减去清洁试验管传热热阻即为污垢热阻。

式中：r—瞬时传热热阻，m²·℃/W；

d—试验管内径，m；

L—试验管有效换热长度，m；

C _p—水的比热容，J/(kg·℃)；

G—循环水流量，L/h；

T—恒温油浴温度，℃；

t ₁—循环水瞬时进口温度，℃；

t ₂—循环水瞬时出口温度，℃。

腐蚀速率和腐蚀特性测定：试验中实时监测当前水质条件下的金属瞬时腐蚀速率。试验结束后取出挂片器内的腐蚀试片和观测试片，除去试片表面的腐蚀产物，称重腐蚀试片并计算平均腐蚀速率，计算公式如下。观测试片用于观察表面腐蚀产物形貌和测定腐蚀产物化学成分。具体为采用场发射扫描电镜(SEM)观察观测试片的表面形貌变化，采用X射线光电子能谱分析(XPS)测定观测试片表面化学成分。

式中：F—平均腐蚀速率，mm/a；

m ₀—试验前试片质量，g；

m ₁—试验后试片质量，g；

A—试片表面积，cm²；

t—试验时间，h；

ρ—金属材料密度，g/cm³。

黏泥量测定：安装好黏泥采集器，关闭旁路球形阀，打开采集器顶部和底部的旋塞阀，过滤指定流量循环水并记录体积，取下浮游生物网，将网上附着生物黏泥淋洗转移至量筒内，静止30min后记录底部沉淀的黏泥体积，根据根据下式计算黏泥量：

式中：M—黏泥量，mL/m³；

V ₂—量筒中生物黏泥体积，mL；

V ₁—通过浮游生物网过滤的循环水体积，m³。

水质指标测定：实时监测循环水pH、电导率、Cl^-、SO₄ ^2-、Ca²⁺、Mg²⁺、COD、NH₃-N、TP、总碱度、悬浮物、浊度、总铁等指标，同时计算浓缩倍率。分析循环水的水质变化情况和循环水系统浓排水是否满足排放标准。

实施例1

不同类别微生物菌剂条件下循环水生化处理动态模拟试验包括以下步骤：

(1)试片和试验管安装：

选取金属材料分别制备成腐蚀试片和观测试片，用滤纸擦去其表面的油，并分别用蘸有丙酮、无水乙醇和除盐水的脱脂棉擦洗。腐蚀试片和观测试片称重后安装于挂片器内。试验管安装于套管内，其两端伸出套管外，对套管两端密封处理并连接恒温油浴。

(2)原有微生物灭杀：

电厂循环水送至循环水池，向水池中投加复合杀菌剂，杀菌剂折合为余氯的含量为0.8-1.0mg/L，持续时间不低于12小时，待余氯降低至0.1mg/L开展后续试验。

(3)功能菌挂膜培养：

循环水池水溢流至澄清水池后开启循环水泵，关闭转子流量计球形阀，循环水回流至循环水池。在循环水池中均匀加入固定剂量的微生物菌剂，经过一定时间周期，肉眼可见填料表面被一定厚度的生物膜完全覆盖即挂膜完成。

(4)动态模拟试验启动：

挂膜完成后，旋动转子流量计球形阀调节至指定流量，稳定运行后记录清洁试验管传热热阻。此后选择合适的加药频率重新补充微生物菌剂。

(5)微生物作用机理分析：

运行稳定后，采集挂膜架和水样中的生物样本，对生物样本进行宏基因组测序。根据推测的微生物防垢、防腐、防生物黏泥和降污作用机理，结合功能基因相对丰度图和功能菌-功能基因关联图，分析各微生物功能菌的代谢通路，验证功能菌处理循环水的作用机理。

(6)污垢热阻测定：

以一定时间间隔记录恒温油浴温度、循环水流量、试验管进口水温和出口水温，根据公式计算污垢热阻。

(7)腐蚀速率和腐蚀特性测定：

试验中实时监测当前水质条件下的金属瞬时腐蚀速率。试验结束后取出挂片器内的腐蚀试片和观测试片，除去试片表面的腐蚀产物，称重腐蚀试片并根据公式计算平均腐蚀速率。采用SEM观察观测试片的表面形貌变化，采用XPS测定观测试片表面化学成分。

(8)生物黏泥量测定：

安装好黏泥采集器，关闭旁路球形阀，打开采集器顶部和底部的旋塞阀，过滤指定流量循环水并记录体积，取下浮游生物网，将网上附着生物黏泥淋洗转移至量筒内，静止30min后记录底部沉淀的黏泥体积，根据公式计算黏泥量。

(9)水质指标测定：

实时监测循环水pH、电导率、Cl^-、SO₄ ^2-、Ca²⁺、Mg²⁺、COD、NH₃-N、TP、总碱度、悬浮物、浊度、总铁等指标，同时计算浓缩倍率。

(10)微生物菌剂更换：

一组试验结束后更换微生物菌剂，微生物菌剂可为光合细菌、球衣细菌、枯草芽孢杆菌、酵母菌、乳酸菌、丝状菌、蜡样芽胞杆菌、硝化细菌、硝酸盐还原菌、脱氮硫杆菌等菌种由不同比例复配而成，重复上述试验，对比不同微生物菌剂处理循环水的防垢、防腐、防生物黏泥和降污效果，根据宏基因组测序分析不同微生物功能菌的代谢通路和作用机理，确定何种功能菌对循环水处理起决定作用，以此筛选出最适宜功能菌种。

实施例2

不同加药频率条件下循环水生化处理动态模拟试验包括以下步骤：

(1)试片和试验管安装：

选取金属材料分别制备成腐蚀试片和观测试片，用滤纸擦去其表面的油，并分别用蘸有丙酮、无水乙醇和除盐水的脱脂棉擦洗。腐蚀试片和观测试片称重后安装于挂片器内。试验管安装于套管内，其两端伸出套管外，对套管两端密封处理并连接恒温油浴。

(2)原有微生物灭杀：

电厂循环水送至循环水池，向水池中投加复合杀菌剂，杀菌剂折合为余氯的含量为0.8-1.0mg/L，持续时间不低于12小时，待余氯降低至0.1mg/L开展后续试验。

(3)功能菌挂膜培养：

循环水池水溢流至澄清水池后开启循环水泵，关闭转子流量计球形阀，循环水回流至循环水池。在循环水池中均匀加入固定剂量的微生物菌剂，经过一定时间周期，肉眼可见填料表面被一定厚度的生物膜完全覆盖即挂膜完成。

(4)动态模拟试验启动：

挂膜完成后，旋动转子流量计球形阀调节至指定流量，稳定运行后记录清洁试验管传热热阻。此后选择不同的加药频率补充微生物菌剂。

(5)菌种群落结构分析：运行稳定后，采集不同时间挂膜架内生物样本，对生物样本进行16S扩增子测序，分析微生物功能菌比例随时间变化情况。

(6)污垢热阻测定：

以一定时间间隔记录恒温油浴温度、循环水流量、试验管进口水温和出口水温，根据公式计算污垢热阻。

(7)腐蚀速率和腐蚀特性测定：

试验中实时监测当前水质条件下的金属瞬时腐蚀速率。试验结束后取出挂片器内的腐蚀试片和观测试片，除去试片表面的腐蚀产物，称重腐蚀试片并根据公式计算平均腐蚀速率。采用SEM观察观测试片的表面形貌变化，采用XPS测定观测试片表面化学成分。

(8)生物黏泥量测定：

安装好黏泥采集器，关闭旁路球形阀，打开采集器顶部和底部的旋塞阀，过滤指定流量循环水并记录体积，取下浮游生物网，将网上附着生物黏泥淋洗转移至量筒内，静止30min后记录底部沉淀的黏泥体积，根据公式计算黏泥量。

(9)水质指标测定：

实时监测循环水pH、电导率、Cl^-、SO₄ ^2-、Ca²⁺、Mg²⁺、COD、NH₃-N、TP、总碱度、悬浮物、浊度、总铁等指标，同时计算浓缩倍率。

(10)加药频率改变：

试验中可分别选取每10天、每20天、每30天的不同加药频率开展试验，对比不同加药频率下的生物法处理循环水的防垢、防腐、防生物黏泥和降污效果。同时根据16S扩增子测序分析挂膜架内微生物功能菌比例随时间变化情况。当微生物功能菌所占比例低于30 %则需补充微生物菌剂以维持优势地位。研究微生物功能菌作为优势菌种的时间周期，以此确定最佳加药频率。

实施例3

不同浓缩倍率下循环水生化处理动态模拟试验包括以下步骤：

(1)试片和试验管安装：

选取金属材料分别制备成腐蚀试片和观测试片，用滤纸擦去其表面的油，并分别用蘸有丙酮、无水乙醇和除盐水的脱脂棉擦洗。腐蚀试片和观测试片称重后安装于挂片器内。试验管安装于套管内，其两端伸出套管外，对套管两端密封处理并连接恒温油浴。

(2)原有微生物灭杀：

电厂循环水送至循环水池，向水池中投加复合杀菌剂，杀菌剂折合为余氯的含量为0.8-1.0mg/L，持续时间不低于12小时，待余氯降低至0.1mg/L开展后续试验。

(3)功能菌挂膜培养：

电厂循环水送至循环水池，循环水池水溢流至澄清水池后开启循环水泵，关闭转子流量计球形阀，循环水回流至循环水池。在循环水池中均匀加入固定剂量的微生物菌剂，经过一定时间周期，肉眼可见填料表面被一定厚度的生物膜完全覆盖即挂膜完成。

(4)动态模拟试验启动：

挂膜完成后，旋动转子流量计球形阀调节至指定流量，稳定运行后记录清洁试验管传热热阻。此后选择固定的加药频率补充微生物菌剂。

(5)污垢热阻测定：

以一定时间间隔记录恒温油浴温度、循环水流量、试验管进口水温和出口水温，根据公式计算污垢热阻。

(6)腐蚀速率和腐蚀特性测定：

试验中实时监测当前水质条件下的金属瞬时腐蚀速率。试验结束后取出挂片器内的腐蚀试片和观测试片，除去试片表面的腐蚀产物，称重腐蚀试片并根据公式计算平均腐蚀速率。采用SEM观察观测试片的表面形貌变化，采用XPS测定观测试片表面化学成分。

(7)生物黏泥量测定：

安装好黏泥采集器，关闭旁路球形阀，打开采集器顶部和底部的旋塞阀，过滤指定流量循环水并记录体积，取下浮游生物网，将网上附着生物黏泥淋洗转移至量筒内，静止30min后记录底部沉淀的黏泥体积，根据公式计算黏泥量。

(8)水质指标测定：

实时监测循环水pH、电导率、Cl^-、SO₄ ^2-、Ca²⁺、Mg²⁺、COD、NH₃-N、TP、总碱度、悬浮物、浊度、总铁等指标，同时计算浓缩倍率。

(9)浓缩倍率改变：

试验前期为循环水浓缩阶段，此阶段只补水不排水，浓缩倍率逐步上升，后期为稳定阶段，此阶段补水和排水同时进行，浓缩倍率为固定值。试验中稳定阶段可选取10、20和30的不同浓缩倍率开展试验，对比不同浓缩倍率下的生物法处理循环水的防垢、防腐和防生物黏泥效果，同时对比不同浓缩倍率下水质情况，分析水质是否满足排放标准。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种循环水生化处理动态模拟试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤S1.试验装置安装：选取金属材料分别制备成腐蚀试片和观测试片并进行预处理，试片称重后安装于挂片器内；试验管安装于套管内，其两端伸出套管外，对套管两端密封处理并连接恒温油浴；连接循环水池单元、冷却单元、管路控制单元、监测单元和模拟换热单元；

步骤S2.原有微生物灭杀：电厂循环水送至循环水池，向水池中投加复合杀菌剂对循环水中的原有微生物进行杀菌处理，杀菌剂折合为余氯的含量为0.8-1.0mg/L，持续时间不低于12小时，待余氯降低至0.1mg/L开展后续试验；

步骤S3.功能菌挂膜培养：循环水送至循环水池，循环水池水溢流至澄清水池后开启循环水泵，关闭转子流量计球形阀，循环水回流至循环水池；在循环水池中均匀加入固定剂量的微生物菌剂，经过一定时间周期，肉眼可见填料表面被一定厚度的生物膜完全覆盖即挂膜完成；

步骤S4.动态模拟试验启动：挂膜完成后，旋动转子流量计球形阀调节至指定流量，使水充满装置管路，稳定运行后选择合适的加药频率重新补充微生物菌剂；

步骤S5.微生物功能菌特性分析：运行稳定后，收集水样并用滤膜过滤后采集滤膜上的生物样本，采集挂膜架内生物样本，对生物样本进行宏基因组测序和16S扩增子测序，根据分析微生物功能菌代谢通路和作用机理筛选微生物菌剂种类，根据微生物群落结构随时间变化情况优化加药频率；

步骤S6.处理效果评价：通过监测试验管污垢热阻、金属腐蚀速率及腐蚀特性、生物黏泥量和循环水水质指标参数，评价生化处理方法的防垢、防腐、防生物黏泥和降污效果。

2.根据权利要求1所述的一种循环水生化处理动态模拟试验方法，其特征在于，所述步骤S5中具体包括：

S51.微生物宏基因组测序：运行稳定后，采集挂膜架内生物样本，同时收集水样并用滤膜过滤后采集滤膜上的生物样本，生物样本经预处理、DNA提取、PCR 扩增和高通量测序后，获得的高质量序列与参考基因数据库进行对比；

S52.得到挂膜架内生物样本的微生物群落相对丰度图和优势微生物关联图，分析加入的微生物功能菌种和循环水补水中原有菌种间存在的“协同”或“竞争”作用，同时得到水样生物样本的功能基因相对丰度图，确定挂膜架内功能菌和水样中功能基因的关联图；

S53.根据推测的微生物防垢、防腐、防生物黏泥和降污作用机理，结合功能基因相对丰度图和功能菌-功能基因关联图，分析各微生物功能菌的代谢通路，验证功能菌处理循环水的作用机理，以此筛选出最适宜循环水处理的功能菌种；S54.16S扩增子测序：基于挂膜架内生物样本的微生物群落相对丰度图，根据微生物功能菌所占比例判断是否为优势菌群，通过分析微生物功能菌比例随时间变化情况，研究微生物功能菌作为优势菌种的时间周期，以此确定最佳加药频率。

3.根据权利要求1所述的一种循环水生化处理动态模拟试验方法，其特征在于：所述试验装置包括循环水池单元、冷却单元、管路控制单元、监测单元和模拟换热单元；

所述循环水池单元包含循环水池和澄清水池，冷却单元包含装有聚丙烯填料的冷却塔，所述循环水池内设有生物挂膜架为功能菌种提供生长附着点；

循环水依次经过所述冷却塔、循环水池、澄清水池、模拟换热单元、检测单元、冷却塔进行循环；放置于循环水池内的生物挂膜架和液位器，与液位器相连的补水电磁阀和补水池，循环水池底部的排污电磁阀，循环水池出口处的挡泥网；

所述模拟换热单元以控制循环水进、出口温差，防止因温差过大导致微生物死亡；所述模拟换热单元包含试验管及其外部套管，与所述外部套管相连的恒温油浴，以及与试验管两端相连的进口测温元件和出口测温元件，循环水经过澄清水池后流入所述试验管中；

所述监测单元包含内有腐蚀试片和观测试片的挂片器，在连接管路上设有腐蚀速率检测元件、电导率检测元件、pH检测元件和黏泥采集器，循环水流经所述试验管后依次经过所述黏泥采集器、挂片器、腐蚀速率检测元件、电导率检测元件和pH检测元件。

4.根据权利要求1所述的一种循环水生化处理动态模拟试验方法，其特征在于：所述循环水池单元还包括设置于循环水池内用于控制补水的液位器，与液位器相连的用于储存补充循环水的补水池，循环水池底部有用于控制排水和污泥的排污电磁阀，所述澄清水池接在循环水池后，连接处有挡泥网。

5.根据权利要求3所述的一种循环水生化处理动态模拟试验方法，其特征在于：所述冷却塔顶部设有布水器和散热风扇。

6.根据权利要求1所述的一种循环水生化处理动态模拟试验方法，其特征在于：所述管路控制单元包含循环水泵，整体连接管路及管路上的转子流量计，以及控制柜，所述循环水泵设置在澄清水池和试验管之间，所述控制柜连接循环水泵、散热风扇、补水电磁阀和排污电磁阀，以及进口测温元件、出口测温元件、腐蚀速率检测元件、电导率检测元件和pH检测元件。

7.根据权利要求1所述的一种循环水生化处理动态模拟试验方法，其特征在于：所述监测单元还设有旁路球形阀，以便于随时观察试片腐蚀情况，同时清洁传感探头和检修。